白光迈克尔逊干涉仪的仿真

白光迈克尔逊干涉仪的仿真

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Bonnie1985119/article/details/143920220

白光迈克尔逊干涉仪是一种重要的光学测量工具，广泛应用于精密测量和表面形貌分析等领域。本文将详细介绍如何使用VirtualLab软件对白光迈克尔逊干涉仪进行仿真，包括系统组成、参数设置以及仿真结果分析。

系统说明

光源

• 氙气灯(部分相干白光)：作为白光光源，其辐射光谱与黑体极其相似。通过41个波长的离散光谱，可以模拟太阳光。由于输出区域较小，氙气灯可视为点光源，并输出近似球面波。

组件

• 分束器和合束器：用于光束的分束和叠加。
• 消色差准直透镜系统：用于实现光源的准直。采用埃德蒙光学的非球面消色差透镜，并通过Zemax文件导入到VirtualLab中。
• 平面反射镜：用于反射光束。
• 待测样品：在轮廓扫描干涉仪中替换反射镜2，用于研究样品的高度轮廓。

探测器

• 强度分布：表现出不同的干涉效应。

建模/设计

• 光线追迹：用于初始系统概览。
• 几何场追迹Plus(GFT+)：
• 部分相干白光会减少干涉条纹的对比度。
• 扫描样品的高度轮廓时光强会发生变化。

系统参数

仿真任务

• 迈克尔逊干涉仪：通过测量两光束间的相对光程差，结合白光光源的有限相干长度，可以研究样品的高度轮廓（轮廓扫描干涉仪）。

光源参数

• 为仿真部分相干光，采用一个白光光源(氙气灯)。
• 应用氙气灯用于模仿太阳光。
• 由于41个波长，光谱的形状是离散的，并具有相应的振幅。
• 由于输出区域较小，氙气灯可视为点光源，并输出近似球面波。

消色差准直透镜

• 为了实现光源的准直，使用了一个埃德蒙光学的非球面消色差透镜。
• 通过使用埃德蒙光学网站上的Zemax文件将消色差准直透镜导入到VirtualLab中。

迈克尔逊干涉仪光路图

• 增加消色差系统和分束器距离是为了使3D视图更加清晰(可在光路编辑器中实现)。
• 由于VirtualLab的相对位置系统，必须设置Z轴方向的距离。

分光器的设置

• 为实现光束分束，采用理想光束分束器。
• 出于该目的，在光路编辑器中建立两次光束分束器。
• 随后的组件(如相位延迟板和理想的反射镜)连接到通道0和通道1，对应于光束分束器的两个通道。

合束器的设置

• 直接通过虚拟屏幕(GFT +)探测器对两束光进行叠加。
• 为此，必须选择两个输入通道的叠加（Yes），才能得到期望的干涉图。

迈克尔逊干涉仪的3D视图

• 添加了扩束器和分束器得距离是为了使3D视图更加清晰(可在光路编辑器中实现)

仿真&结果

利用光线追迹分析

• 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。
• 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。

相干光源vs部分相干光

• 采用几何场追迹Plus引擎计算干涉图样。

测量路径长度的变化

• 对所用白光光源的时间相干性进行研究。
• 因此，利用参数耦合和参数运行，使测量路径的长度在由199.99mm到200.01mm之间变化。
• 为生成干涉图样，通过使用绝对方向将反射镜2倾斜0.005°
• 结果可以以独立的文件或动画进行输出。
• 由此产生氙气灯的相干长度数量级约为1µm。

轮廓扫描干涉仪

• 由一个样本替换反射镜2，该样本具有特定的轮廓。
• 改变路径长度并结合有限的相干长度，可对样本的高度轮廓进行研究。
• 因此，对于相同的路径长度，接受到的最大光强能够体现高度等级。
• 相长干涉得到最大光强。

结果：轮廓扫描干涉仪

• 计算3个不同路径长度的光强分布(200mm,200.1mm,200.2mm)。
• 被研究的仿真样本(具有浮雕结构的1欧元硬币)表现出3个明显不同的高度级，可通过模拟设置进行说明。
• 因此，VirtualLab可对这种基于部分相干光干涉测量的轮廓扫描系统进行仿真。

总结

• 迈克尔逊干涉仪及其在高度扫描仪中白光干涉图样的研究
• 仿真：以光线追迹对干涉仪的仿真。
• 计算：采用几何场追迹Plus引擎以计算干涉图样。
• 研究：测绘扫描仪的仿真和样本高度轮廓的测量
• 利用VirtualLab软件可对迈克尔逊干涉仪生成的干涉图案进行研究分析。